大型冷模試驗(yàn)課件

1、2021-10-20第五章第五章大型冷模試驗(yàn)大型冷模試驗(yàn)2021-10-20一、概述一、概述一般來說一般來說, 化工過程開發(fā)包括三個(gè)環(huán)節(jié)化工過程開發(fā)包括三個(gè)環(huán)節(jié): 小小型熱模工藝實(shí)驗(yàn)研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律型熱模工藝實(shí)驗(yàn)研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律; 大型冷模大型冷模試驗(yàn)研究傳遞規(guī)律試驗(yàn)研究傳遞規(guī)律; 將小型熱模實(shí)驗(yàn)與大型將小型熱模實(shí)驗(yàn)與大型冷模試驗(yàn)所得結(jié)果相結(jié)合冷模試驗(yàn)所得結(jié)果相結(jié)合, 建立工業(yè)裝置的建立工業(yè)裝置的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型,形成過程開發(fā)成果形成過程開發(fā)成果, 即通常所說的即通常所說的工藝軟件包。同時(shí)工藝軟件包。同時(shí), 為了驗(yàn)證工藝軟件包的為了驗(yàn)證工藝軟件包的可靠性可靠性, 必須進(jìn)行相應(yīng)規(guī)模的中間試驗(yàn)必須

2、進(jìn)行相應(yīng)規(guī)模的中間試驗(yàn), 以該以該試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型的各種參數(shù)進(jìn)行修試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型的各種參數(shù)進(jìn)行修正正, 并為進(jìn)一步真正建立工業(yè)生產(chǎn)裝置提供并為進(jìn)一步真正建立工業(yè)生產(chǎn)裝置提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。2021-10-20Holv42021-10-20放大問題的主要原因是放大問題的主要原因是(傳遞規(guī)律的重要性傳遞規(guī)律的重要性)： 首先：停留時(shí)間的不同，導(dǎo)致溫度、濃度分首先：停留時(shí)間的不同，導(dǎo)致溫度、濃度分布的不均。布的不均。 其次：產(chǎn)生放大效應(yīng)（并非所有的條件均同其次：產(chǎn)生放大效應(yīng)（并非所有的條件均同等放大）等放大） 第三：工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)條件難以保持十第三：工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)條

3、件難以保持十分穩(wěn)定。（如放熱反應(yīng)熱量的移除）分穩(wěn)定。（如放熱反應(yīng)熱量的移除）2021-10-20 反應(yīng)器的開發(fā)與放大 :依靠逐級經(jīng)驗(yàn)放大依靠逐級經(jīng)驗(yàn)放大數(shù)學(xué)模型方法數(shù)學(xué)模型方法反應(yīng)器的放大：轉(zhuǎn)化率和收率 微觀：轉(zhuǎn)化率和收率-溫度、壓力 宏觀：停留時(shí)間、分布(不同型式反應(yīng)器)2021-10-20冷模試驗(yàn)：冷模試驗(yàn)：冷態(tài)模型試驗(yàn)的簡稱冷態(tài)模型試驗(yàn)的簡稱,在沒有化學(xué)反應(yīng)的在沒有化學(xué)反應(yīng)的條件下條件下,利用水、空氣、砂子、瓷環(huán)等廉價(jià)的模擬利用水、空氣、砂子、瓷環(huán)等廉價(jià)的模擬物料進(jìn)行試驗(yàn)，以探明反應(yīng)器傳遞過程的規(guī)律。應(yīng)物料進(jìn)行試驗(yàn)，以探明反應(yīng)器傳遞過程的規(guī)律。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行反應(yīng)過程的開發(fā)時(shí)，其出發(fā)

4、點(diǎn)用數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行反應(yīng)過程的開發(fā)時(shí)，其出發(fā)點(diǎn)是將反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的過程分解為化學(xué)反應(yīng)和傳遞過是將反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的過程分解為化學(xué)反應(yīng)和傳遞過程，并且認(rèn)為在反應(yīng)器放大過程中程，并且認(rèn)為在反應(yīng)器放大過程中,化學(xué)反應(yīng)的規(guī)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律不會因設(shè)備尺寸而變化律不會因設(shè)備尺寸而變化,設(shè)備尺寸主要影響流體設(shè)備尺寸主要影響流體流動、傳熱和傳質(zhì)等傳遞過程的規(guī)律。因此，用小流動、傳熱和傳質(zhì)等傳遞過程的規(guī)律。因此，用小型裝置測得化學(xué)反應(yīng)規(guī)律后，在大型裝置中只需考型裝置測得化學(xué)反應(yīng)規(guī)律后，在大型裝置中只需考察傳遞過程的規(guī)律，而不需進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這樣可察傳遞過程的規(guī)律，而不需進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這樣可使試驗(yàn)大為簡化，試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用

5、大大節(jié)省。使試驗(yàn)大為簡化，試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用大大節(jié)省。2021-10-20例如：例如：在絕熱式固定床反應(yīng)器的開發(fā)中，需要考慮大型反在絕熱式固定床反應(yīng)器的開發(fā)中，需要考慮大型反應(yīng)器中流體流動不均勻?qū)Ψ磻?yīng)結(jié)果的影響，通過小型試驗(yàn)應(yīng)器中流體流動不均勻?qū)Ψ磻?yīng)結(jié)果的影響，通過小型試驗(yàn)認(rèn)識了化學(xué)反應(yīng)規(guī)律后，即可用以確定流動不均勻程度的認(rèn)識了化學(xué)反應(yīng)規(guī)律后，即可用以確定流動不均勻程度的允許范圍。而催化劑床層可能存在多大程度的不均勻，以允許范圍。而催化劑床層可能存在多大程度的不均勻，以及分布板應(yīng)如何設(shè)計(jì)才能將氣流分布不均勻程度限制在允及分布板應(yīng)如何設(shè)計(jì)才能將氣流分布不均勻程度限制在允許范圍內(nèi)，都可通過冷模試驗(yàn)予以

6、認(rèn)識許范圍內(nèi)，都可通過冷模試驗(yàn)予以認(rèn)識 。2021-10-20是否化工過程開發(fā)都必須建設(shè)冷模裝置，進(jìn)行冷模試驗(yàn)？是否化工過程開發(fā)都必須建設(shè)冷模裝置，進(jìn)行冷模試驗(yàn)？不是。下述情況可免去：不是。下述情況可免去：2021-10-202021-10-202021-10-202021-10-20NoImage2021-10-202021-10-20 自模性：自模性：在一定條件下自行相似的現(xiàn)象。在一定條件下自行相似的現(xiàn)象。 粘性流體在受迫流動過程中，當(dāng)雷諾數(shù)粘性流體在受迫流動過程中，當(dāng)雷諾數(shù)Re大于大于某一值時(shí)，流動從層流狀態(tài)進(jìn)入湍流，這一某一值時(shí)，流動從層流狀態(tài)進(jìn)入湍流，這一Re值稱為第一臨界雷諾值，值

7、稱為第一臨界雷諾值，Re小于第一臨界雷諾小于第一臨界雷諾值的流動處于值的流動處于第一自?；瘏^(qū)第一自?；瘏^(qū)，此時(shí)處在層流狀態(tài)。，此時(shí)處在層流狀態(tài)。Re大于第一臨界雷諾值之后，隨著大于第一臨界雷諾值之后，隨著Re值增大流值增大流體紊亂程度變化較大，但其值增大到一定程度這體紊亂程度變化較大，但其值增大到一定程度這種影響幾乎不存在，該種影響幾乎不存在，該Re值稱第二臨界雷諾值。值稱第二臨界雷諾值。Re大于第二臨界雷諾值稱流動處于大于第二臨界雷諾值稱流動處于第二自?；诙阅；瘏^(qū)。區(qū)。2021-10-202021-10-202021-10-20 試驗(yàn)方式：試驗(yàn)方式： 采用物理性質(zhì)與生產(chǎn)物料相近的惰性物料

8、，如水、空氣、砂等代替生產(chǎn)實(shí)際物料在模模型裝置型裝置上進(jìn)行的試驗(yàn)。 適用場合：適用場合： 不便或不必要采用生產(chǎn)物料進(jìn)行試驗(yàn)的情況，尤其 在需要將過程分解，分別考查一些工程因素時(shí)。2021-10-20 規(guī)模：規(guī)模： 一般都比小試要大得多，以便表現(xiàn)各種工程因素的運(yùn)動規(guī)律，所測定參數(shù)的可變范圍也相對較寬。 注意：注意： 由于試驗(yàn)條件與實(shí)際生產(chǎn)過程有差別，在應(yīng)用冷模試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件予以轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換和修正換和修正。2021-10-20二、大型冷模試驗(yàn)研究的基本內(nèi)容二、大型冷模試驗(yàn)研究的基本內(nèi)容2021-10-20固定床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn) 固定床中催化劑不易磨損； 床層內(nèi)流體的流動接近于平推流，與返混式的反應(yīng)

9、器相比，可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積來獲得較大的生產(chǎn)能力。 由于停留時(shí)間可以嚴(yán)格控制，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，因此特別有利于達(dá)到高的選擇性和轉(zhuǎn)化率，在大生產(chǎn)中尤為重要。 2021-10-20 固定床反應(yīng)器缺點(diǎn) 固定床中的傳熱較差； 催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。 2021-10-20 蒸汽 原料 調(diào)節(jié)閥 催化劑 補(bǔ)充水 產(chǎn)物 絕熱床反應(yīng)器2021-10-20 典型的例子是乙苯脫氫制苯乙烯。反應(yīng)需供熱140kJmol，是靠加入高溫(710)水蒸汽來供應(yīng)的(乙苯:水蒸汽=1: 2.6(質(zhì)量)，混合后在630入床，離床時(shí)降到565。 在此，水蒸汽的作用是： 可以帶入大量的顯熱； 起稀釋作用，使反應(yīng)

10、的平衡向有利于生成苯乙烯的方向移動，提高單程轉(zhuǎn)化率； 使催化劑可能產(chǎn)生的結(jié)炭隨時(shí)得到清除，從而保持反應(yīng)器長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。2021-10-20 除單層絕熱床外，工業(yè)上還有用多段的，近代的大型合成氨反應(yīng)器采用的是中間冷激的多段絕熱床。總之，不論是吸熱或放熱的反應(yīng)，絕熱床的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。特別對大型的，高溫的或高壓的反應(yīng)器，希望結(jié)構(gòu)簡單，同樣大小的裝置內(nèi)能容納盡可能多的催化劑以增加生產(chǎn)能力(少加換熱空間)，而絕熱床正好能符合這種要求。不過絕熱床的溫度變化總是比較大的，而溫度對反應(yīng)結(jié)果的影響也是舉足輕重的，因此如何取舍，要綜合分析并根據(jù)實(shí)際情況來決定。此外還應(yīng)注意到絕熱床的高徑比不宜過大，床層填充務(wù)必均勻

11、，并注意氣流的預(yù)分布，以保證氣流在床層內(nèi)的均勻分布。 2021-10-20 TC Tf Tf T0 逆 流 并 流 T0 乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器2021-10-20 管徑：一般為2550mm的管子，但不小于25mm。 催化劑粒徑：應(yīng)小于管徑的8倍，通常固定床用的粒徑約為26mm，不小于1.5mm。 傳熱所用的熱載體：l 沸水可以用于100300的溫度范圍。l 聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物以及以烷基萘為主的石油餾分能用于200350的范圍。l 無機(jī)熔鹽(硝酸鉀，硝酸鈉及亞硝酸鈉的混合物)可用于300400的情況。l 對于600700左右的高溫反應(yīng)，只能用煙道氣作為熱載體。2021-10-20列管式反應(yīng)器

12、優(yōu)點(diǎn)： 傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制； 返混小、選擇性較高； 只要增加管數(shù)，便可有把握地進(jìn)行放大； 對于極強(qiáng)的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來稀釋催化劑 適用 原料成本高，副產(chǎn)物價(jià)值低以及分離不是十分容易的情況。2021-10-202021-10-20 目前描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型可分為擬均目前描述固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型可分為擬均相和非均相的兩大類。前者忽略床層中粒子與流相和非均相的兩大類。前者忽略床層中粒子與流體間體間 溫度與濃度的差別溫度與濃度的差別 ， 故故 稱之為擬均相模型。稱之為擬均相模型。根據(jù)流動模式與溫差的情況它又可分為平推流的根據(jù)流動模式與溫差的情況它又可分為平推流的一維模

13、型，有軸向返混的一維模型和同時(shí)考慮徑一維模型，有軸向返混的一維模型和同時(shí)考慮徑向混合和徑向溫差的二維模型。至于非均相模型，向混合和徑向溫差的二維模型。至于非均相模型，則又考慮了氣流與粒子表面間的溫度差和濃度差。則又考慮了氣流與粒子表面間的溫度差和濃度差。對于絕大多數(shù)情況，擬均相模型已足夠?qū)τ诮^大多數(shù)情況，擬均相模型已足夠 2021-10-20固定床中的傳遞過程 1、床層空隙率、床層空隙率 表征床層結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為床層空隙率; =f（顆粒形狀，粒度分布，床徑比，填充方式等 固定床中同一橫截面上的空隙率是不均勻的，對于粒度均一的顆粒所構(gòu)成的床層，在與器壁距離為12倍顆粒直徑處，空隙率最大，床層中心

14、較小，這種影響，叫做壁效應(yīng)。2021-10-202、床層壓降、床層壓降 在固定床反應(yīng)器中，流體通過分布板均布后，在床層在固定床反應(yīng)器中，流體通過分布板均布后，在床層內(nèi)的孔道中流動，這些孔道相互交錯聯(lián)通，而且是彎彎曲內(nèi)的孔道中流動，這些孔道相互交錯聯(lián)通，而且是彎彎曲曲的，各個(gè)孔道的幾何形狀相差甚大，其橫截面積既不規(guī)曲的，各個(gè)孔道的幾何形狀相差甚大，其橫截面積既不規(guī)則也不相等。床層各個(gè)橫截面上孔道的數(shù)目并不一定相同。則也不相等。床層各個(gè)橫截面上孔道的數(shù)目并不一定相同。流過床層的流體，其徑向流速分布也是不均勻的。從床層流過床層的流體，其徑向流速分布也是不均勻的。從床層中心處算起，中心處算起，隨著徑向

15、位置的增大，流速增加，在離器壁隨著徑向位置的增大，流速增加，在離器壁的距離等于的距離等于12倍顆粒直徑處，流速最大，倍顆粒直徑處，流速最大，然后隨徑向位然后隨徑向位置的增大而降低，至壁面處為零。床層直徑與顆粒直徑之置的增大而降低，至壁面處為零。床層直徑與顆粒直徑之比越小，徑向流速分布越不均勻。比越小，徑向流速分布越不均勻。 2021-10-20 流體流過固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失主要來自兩方面：流體流過固定床時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失主要來自兩方面： 顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦；顆粒的粘滯曳力，即流體與顆粒表面間的摩擦； 形體阻力：流體流動過程中孔道截面積突然擴(kuò)大和形體阻力：流體流動過程中

16、孔道截面積突然擴(kuò)大和收縮，以及流體對顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。收縮，以及流體對顆粒的撞擊及流體的再分布而產(chǎn)生。 當(dāng)流體處于層流時(shí)，前者起主要作用；當(dāng)流體處于層流時(shí)，前者起主要作用； 高流速及薄床層中流動，起主要作用的是后者。高流速及薄床層中流動，起主要作用的是后者。 流體在固定床中的流動，與空管中的流體流動相似，流體在固定床中的流動，與空管中的流體流動相似，只是流道不規(guī)則而已。只是流道不規(guī)則而已。2021-10-203、固定床中流體與顆粒外表面的擴(kuò)散系數(shù)、固定床中流體與顆粒外表面的擴(kuò)散系數(shù)對于氣固催化反應(yīng)或液固非催化反應(yīng)，一般認(rèn)為反對于氣固催化反應(yīng)或液固非催化反應(yīng)，一般認(rèn)為反應(yīng)在固體外表

17、面或固體內(nèi)部進(jìn)行。這時(shí)，流體中應(yīng)在固體外表面或固體內(nèi)部進(jìn)行。這時(shí)，流體中反應(yīng)原料必須從流體主體擴(kuò)散到顆粒外表面；若反應(yīng)原料必須從流體主體擴(kuò)散到顆粒外表面；若反應(yīng)產(chǎn)物為流體，則必須從顆粒外表面擴(kuò)散到流反應(yīng)產(chǎn)物為流體，則必須從顆粒外表面擴(kuò)散到流體主體。這種擴(kuò)散過程的阻力，決定于顆粒外表體主體。這種擴(kuò)散過程的阻力，決定于顆粒外表面流體滯流流膜。面流體滯流流膜。2021-10-202021-10-200,21nF2021-10-202021-10-202021-10-20 與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是： 可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；可以實(shí)現(xiàn)固

18、體物料的連續(xù)輸入和輸出； 流體和顆粒的運(yùn)動使床層具有良好的傳熱性能，流體和顆粒的運(yùn)動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；強(qiáng)放熱反應(yīng)； 便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進(jìn)行。催化劑失活速率高的過程的進(jìn)行。2021-10-20 然而，由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過程影響因素的多樣然而，由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于反應(yīng)器來說，流化床又存在明顯的局限性：性，對于反應(yīng)器來說，流化床又存在明顯的局限性： 由于固體顆粒

19、和氣泡在連續(xù)流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，陣低了目的產(chǎn)物的收率；品分布，陣低了目的產(chǎn)物的收率； 反應(yīng)物以氣泡形式通過床層，減少了氣反應(yīng)物以氣泡形式通過床層，減少了氣-固相之間的接觸機(jī)會，固相之間的接觸機(jī)會，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率； 由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加由于固體催化劑在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使催化劑加速粉化，加上床層頂部氣泡的爆裂和高速運(yùn)動、大量細(xì)粒催化劑速粉化，加上床層頂

20、部氣泡的爆裂和高速運(yùn)動、大量細(xì)粒催化劑的帶出，造成明顯的催化劑流失；的帶出，造成明顯的催化劑流失； 床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗(yàn)放大、經(jīng)臉操作。難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗(yàn)放大、經(jīng)臉操作。 2021-10-202021-10-202021-10-202021-10-202021-10-202021-10-202021-10-20 物 料 氣 產(chǎn) 物 催 化 劑 2021-10-20三、大型冷模試驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)三、大型冷模試驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ) 原理：原理：以模型與原型相

21、似為基礎(chǔ)，運(yùn)用相似原理來考查生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)物料的流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等物理過程，尋找產(chǎn)生放大效應(yīng)的原因和克制的方法。 目的：目的：為放大設(shè)計(jì)或建立數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)。2021-10-20 試驗(yàn)方式：試驗(yàn)方式： 采用物理性質(zhì)與生產(chǎn)物料相近的惰性物料，如水、空氣、砂等代替生產(chǎn)實(shí)際物料在模模型裝置型裝置上進(jìn)行的試驗(yàn)。 適用場合：適用場合： 不便或不必要采用生產(chǎn)物料進(jìn)行試驗(yàn)的情況，尤其 在需要將過程分解，分別考查一些工程因素時(shí)。2021-10-20 規(guī)模：規(guī)模： 一般都比小試要大得多，以便表現(xiàn)各種工程因素的運(yùn)動規(guī)律，所測定參數(shù)的可變范圍也相對較寬。 注意：注意： 由于試驗(yàn)條件與實(shí)際生產(chǎn)過程有差別，在應(yīng)

22、用冷模試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件予以轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換和修正換和修正。2021-10-20方法 （一）（一）按相似論按相似論進(jìn)行的冷模試驗(yàn)進(jìn)行的冷模試驗(yàn) （二）（二）用概率統(tǒng)計(jì)用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行的冷模試驗(yàn)方法進(jìn)行的冷模試驗(yàn) （三）測定特殊參數(shù)的冷模試驗(yàn)（三）測定特殊參數(shù)的冷模試驗(yàn) （四）類比試驗(yàn)（四）類比試驗(yàn)2021-10-20現(xiàn)象的相似，現(xiàn)象的相似，是指表述此種現(xiàn)象的所有量在空間中相對應(yīng)是指表述此種現(xiàn)象的所有量在空間中相對應(yīng)的各點(diǎn)，及在時(shí)間上相對應(yīng)的各瞬間，各自互成一定的比的各點(diǎn)，及在時(shí)間上相對應(yīng)的各瞬間，各自互成一定的比例關(guān)系。包括時(shí)間相似、速度相似、幾何相似、溫度相似例關(guān)系。包括時(shí)間相似、速度相似、

23、幾何相似、溫度相似、濃度相似、力的相似等，它必然以空間相似和時(shí)間相似、濃度相似、力的相似等，它必然以空間相似和時(shí)間相似為前提。為前提。1. 相似原理相似原理（一）（一）按相似論按相似論進(jìn)行的冷模試驗(yàn)進(jìn)行的冷模試驗(yàn)2021-10-202021-10-202021-10-20相似的性質(zhì)：相似的性質(zhì)：所有相似的現(xiàn)象都為完全相同的方程組所描述；所有相似的現(xiàn)象都為完全相同的方程組所描述；空間對應(yīng)點(diǎn)及對應(yīng)瞬間各自互成一定比例關(guān)系；各量的比例彼空間對應(yīng)點(diǎn)及對應(yīng)瞬間各自互成一定比例關(guān)系；各量的比例彼此相互約束；這種約束關(guān)系可用此相互約束；這種約束關(guān)系可用“相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則”表示；必然發(fā)生表示；必然發(fā)生在幾何相

24、似的對象里。在幾何相似的對象里。單值條件：單值條件：能把服從于同一方程組的無數(shù)現(xiàn)象，單一地劃分出能把服從于同一方程組的無數(shù)現(xiàn)象，單一地劃分出某一具體現(xiàn)象的獨(dú)立條件。包括幾何條件、物理?xiàng)l件、邊界條某一具體現(xiàn)象的獨(dú)立條件。包括幾何條件、物理?xiàng)l件、邊界條件和起始條件。件和起始條件。2021-10-20單值條件單值條件2021-10-20相似第一定理相似第一定理相似第一定理：相似第一定理：彼此相似的現(xiàn)象必定具有數(shù)值相同彼此相似的現(xiàn)象必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。的相似準(zhǔn)則。描述相似性質(zhì)，指明了實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)描述相似性質(zhì)，指明了實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測試的物理量測試的物理量兩個(gè)相似的流動現(xiàn)象都屬于同一類物理現(xiàn)象，它們都應(yīng)為同

25、兩個(gè)相似的流動現(xiàn)象都屬于同一類物理現(xiàn)象，它們都應(yīng)為同一的數(shù)學(xué)物理方程所描述。流動現(xiàn)象的幾何條件（流場的邊一的數(shù)學(xué)物理方程所描述。流動現(xiàn)象的幾何條件（流場的邊界形狀和尺寸）、物性條件（流體密度、粘性等）、邊界條界形狀和尺寸）、物性條件（流體密度、粘性等）、邊界條件（流場邊界上物理量的分布，如速度分布、壓強(qiáng)分布等）件（流場邊界上物理量的分布，如速度分布、壓強(qiáng)分布等），對非定態(tài)流動還有初始條件（選定研究的初始時(shí)刻流場中，對非定態(tài)流動還有初始條件（選定研究的初始時(shí)刻流場中各點(diǎn)的物理量分布）都必定是相似的。這些條件又統(tǒng)稱為單各點(diǎn)的物理量分布）都必定是相似的。這些條件又統(tǒng)稱為單值條件。若兩個(gè)流動現(xiàn)象力學(xué)相

26、似，則在空間對應(yīng)點(diǎn)和對應(yīng)值條件。若兩個(gè)流動現(xiàn)象力學(xué)相似，則在空間對應(yīng)點(diǎn)和對應(yīng)的瞬時(shí)諸物理量各自互成一定的比例，而這些物理量又必須的瞬時(shí)諸物理量各自互成一定的比例，而這些物理量又必須滿足同一的微分方程組，因此各量的比例系數(shù)，即相似倍數(shù)滿足同一的微分方程組，因此各量的比例系數(shù)，即相似倍數(shù)，不能是任意的，而是彼此制約的。，不能是任意的，而是彼此制約的。 2021-10-20相似第二定理相似第二定理相似第二定理：相似第二定理：凡同一種類現(xiàn)象，如果單值條件相凡同一種類現(xiàn)象，如果單值條件相似，同時(shí)由單值條件的物理量所組成的相似準(zhǔn)數(shù)在似，同時(shí)由單值條件的物理量所組成的相似準(zhǔn)數(shù)在數(shù)值上相等，那么這些現(xiàn)象必相似

27、。數(shù)值上相等，那么這些現(xiàn)象必相似。 敘述模型與原型相似需要滿足的條件，即它是判敘述模型與原型相似需要滿足的條件，即它是判斷兩個(gè)物理現(xiàn)象是否相似的充分必要條件。斷兩個(gè)物理現(xiàn)象是否相似的充分必要條件。 同時(shí)指明了模同時(shí)指明了模型試驗(yàn)應(yīng)遵守的條件，即單值條件相似、由單值條件物理型試驗(yàn)應(yīng)遵守的條件，即單值條件相似、由單值條件物理量組成的準(zhǔn)數(shù)相等。量組成的準(zhǔn)數(shù)相等。2021-10-20要使試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯M的研究對象相似，試驗(yàn)的結(jié)果才能要使試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯M的研究對象相似，試驗(yàn)的結(jié)果才能應(yīng)用到研究對象上去。應(yīng)用到研究對象上去。兩個(gè)物理現(xiàn)象相似，必定是同一類物理現(xiàn)象。因此，描述物兩個(gè)物理現(xiàn)象相似，必定是同

28、一類物理現(xiàn)象。因此，描述物理現(xiàn)象的微分方程組必定相同，這是現(xiàn)象理現(xiàn)象的微分方程組必定相同，這是現(xiàn)象相似的第一個(gè)必要相似的第一個(gè)必要條件。條件。 單值條件相似是物理現(xiàn)象單值條件相似是物理現(xiàn)象相似的第二個(gè)必要條件相似的第二個(gè)必要條件。因?yàn)榉摹Ｒ驗(yàn)榉耐晃⒎址匠探M的同類現(xiàn)象有許多，單值條件可以將研究對同一微分方程組的同類現(xiàn)象有許多，單值條件可以將研究對象從無數(shù)多現(xiàn)象中單一地區(qū)分出來，數(shù)學(xué)上則是使微分方程象從無數(shù)多現(xiàn)象中單一地區(qū)分出來，數(shù)學(xué)上則是使微分方程組有唯一解的定解條件組有唯一解的定解條件。 單值條件中的物理量所組成的相似準(zhǔn)則相等是現(xiàn)象單值條件中的物理量所組成的相似準(zhǔn)則相等是現(xiàn)象相似的第相似

29、的第三個(gè)必要條件。三個(gè)必要條件。反過來說，反過來說，屬于同一類物理現(xiàn)象且單值條件相似時(shí)，兩個(gè)現(xiàn)屬于同一類物理現(xiàn)象且單值條件相似時(shí)，兩個(gè)現(xiàn)象才有時(shí)間和空間的對應(yīng)關(guān)系以及與時(shí)間和空間聯(lián)系的相同象才有時(shí)間和空間的對應(yīng)關(guān)系以及與時(shí)間和空間聯(lián)系的相同物理量，如果對應(yīng)的相似準(zhǔn)則相等，又保持了在對應(yīng)的時(shí)間物理量，如果對應(yīng)的相似準(zhǔn)則相等，又保持了在對應(yīng)的時(shí)間和空間點(diǎn)上物理量保持相同的比值，也就保證了兩個(gè)物理現(xiàn)和空間點(diǎn)上物理量保持相同的比值，也就保證了兩個(gè)物理現(xiàn)象的相似。象的相似。 2021-10-20相似第三定理相似第三定理相似第三定理：相似第三定理：描述某現(xiàn)象的各種量之間的關(guān)系式描述某現(xiàn)象的各種量之間的關(guān)系

30、式可以表示成相似準(zhǔn)數(shù)方程之間的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)可以表示成相似準(zhǔn)數(shù)方程之間的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系式稱為準(zhǔn)數(shù)方程，即系式稱為準(zhǔn)數(shù)方程，即 表明如何整理試驗(yàn)結(jié)果，即整理成相似準(zhǔn)數(shù)之間表明如何整理試驗(yàn)結(jié)果，即整理成相似準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系的關(guān)系 BAC2021-10-20相似準(zhǔn)數(shù)相似準(zhǔn)數(shù)定解問題通過相定解問題通過相似變換方法獲得似變換方法獲得能寫出微分能寫出微分方程的問題方程的問題量綱分析法量綱分析法從所研究問題包含的物理量的量綱著手，從所研究問題包含的物理量的量綱著手，運(yùn)用形式邏輯推理來研究問題的一種方法運(yùn)用形式邏輯推理來研究問題的一種方法理論根據(jù)：理論根據(jù)：物理方程量綱的一致性物理方程量綱的一致性特點(diǎn)：特

31、點(diǎn)：不必深入研究內(nèi)部過程的細(xì)節(jié)，只需了解不必深入研究內(nèi)部過程的細(xì)節(jié)，只需了解 過程遵守的基本定律；過程遵守的基本定律； 邊界上哪些物理量有重要作用；邊界上哪些物理量有重要作用； 定解條件中包含哪些物理量。定解條件中包含哪些物理量。2021-10-20量綱物理量所屬的種類，反映物理量的本質(zhì)，與單位之間存在密物理量所屬的種類，反映物理量的本質(zhì)，與單位之間存在密切的聯(lián)系，又有一定的區(qū)別。切的聯(lián)系，又有一定的區(qū)別。量綱表達(dá)式導(dǎo)出量與基本量之間的關(guān)系式。導(dǎo)出量與基本量之間的關(guān)系式。規(guī)則： I. BACBAC BAC nAC nAC 0, , , , , ,gpl v f量綱指數(shù)2021-10-20量綱和

32、諧原理在一個(gè)有意義的方程中，任意兩項(xiàng)的量綱都必須相同。步驟： 寫出影響現(xiàn)象的所有因素： 選取基本物理量，其量綱獨(dú)立： 利用基本物理量分別與其它物理量組合成一個(gè)無量綱的量： 確定無量綱量的表達(dá)式：1) 寫出準(zhǔn)數(shù)方程量綱分析法推導(dǎo)相似準(zhǔn)數(shù)以不可壓縮粘性流體的等溫流動為例, lv1111cbalvp2222cbalv3333cbalvg4444cbalv 11131211cbaMLLLTTMLEuvp21111112131accbaRe12vlFrvgl112 定理：對于某個(gè)物理現(xiàn)象可給出的無量綱的綜合數(shù)群的個(gè)數(shù)，等于影響該現(xiàn)象的全部物理量的個(gè)數(shù)減去用以表達(dá)這些物理量的基本量的個(gè)數(shù)。2021-10-

33、20 寫出影響現(xiàn)象的所有因素： 選取基本物理量，其量綱獨(dú)立： 利用基本物理量分別與其它物理量組合成一個(gè)無量綱的量： 確定無量綱量的表達(dá)式：1) 寫出準(zhǔn)數(shù)方程:量綱分析法推導(dǎo)相似準(zhǔn)數(shù)以不可壓縮粘性流體的等溫流動為例2222cbalv3333cbalvg4444cbalv 11131211cbaMLLLTTMLEuvp21111112131accbaFrvgl230,Re,EuFrHof2021-10-20 相似準(zhǔn)數(shù)的n次方仍為相似準(zhǔn)數(shù) 相似準(zhǔn)數(shù)的乘積仍為相似準(zhǔn)數(shù) 相似準(zhǔn)數(shù)乘以無量綱數(shù)仍為相似準(zhǔn)數(shù) 相似準(zhǔn)數(shù)的和與差仍為相似準(zhǔn)數(shù) 相似準(zhǔn)數(shù)中任一物理量用其差代替仍為相似準(zhǔn)數(shù)相似準(zhǔn)數(shù)的轉(zhuǎn)換Galgvlv

34、glFr232222ReArlglgGa 230023201211lg1222lgWelg2211212vpEu2vpEu2021-10-202. 相似分析相似分析2021-10-202021-10-20雷諾數(shù)相似法雷諾數(shù)相似法為更好解釋清楚相似原理的應(yīng)用，下面介紹一種近為更好解釋清楚相似原理的應(yīng)用，下面介紹一種近似模型法：雷諾數(shù)相似法似模型法：雷諾數(shù)相似法 有許多實(shí)際流動，它們主要受粘性力、壓力和慣性有許多實(shí)際流動，它們主要受粘性力、壓力和慣性力的作用。力的作用。如流體充滿截面的管道流動，由于不存在自如流體充滿截面的管道流動，由于不存在自由面，因此，沒有表面張力作用，即可不考慮由面，因此，沒

35、有表面張力作用，即可不考慮We相似準(zhǔn)相似準(zhǔn)則；重力不影響流場，故可不考慮則；重力不影響流場，故可不考慮Fr相似準(zhǔn)則。相似準(zhǔn)則。2021-10-20 從力學(xué)相似的觀點(diǎn)來看，若兩個(gè)流場在對應(yīng)點(diǎn)作用的同從力學(xué)相似的觀點(diǎn)來看，若兩個(gè)流場在對應(yīng)點(diǎn)作用的同種力方向相同、大小成同一比例，則滿足動力相似。對種力方向相同、大小成同一比例，則滿足動力相似。對于僅考慮粘性力、壓力和慣性力這三種力的情況下，要于僅考慮粘性力、壓力和慣性力這三種力的情況下，要使力三角形相似，只需滿足兩條邊成比例且夾角相等，使力三角形相似，只需滿足兩條邊成比例且夾角相等，也就是說，在對應(yīng)點(diǎn)上模型流動作用的慣性力和粘性力也就是說，在對應(yīng)點(diǎn)上

36、模型流動作用的慣性力和粘性力與實(shí)物流動作用的慣性力和粘性力成同一比例，因此，與實(shí)物流動作用的慣性力和粘性力成同一比例，因此，只要在對應(yīng)點(diǎn)滿足雷諾數(shù)相等即可。只要在對應(yīng)點(diǎn)滿足雷諾數(shù)相等即可。在幾何相似的前提在幾何相似的前提下，流動現(xiàn)象相似的決定性準(zhǔn)則僅為雷諾準(zhǔn)則，則模型下，流動現(xiàn)象相似的決定性準(zhǔn)則僅為雷諾準(zhǔn)則，則模型試驗(yàn)必須遵守的相似稱為雷諾相似。試驗(yàn)必須遵守的相似稱為雷諾相似。 2021-10-20 用概率統(tǒng)計(jì)方法測定物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布函數(shù)，由此確定物料流動的型態(tài)。 例 測定連續(xù)流動串聯(lián)釜內(nèi)物料流動的停留時(shí)間分布。（二）用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行的冷模試驗(yàn)（二）用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行的冷模試驗(yàn)2

37、021-10-202021-10-20例：連續(xù)流動反應(yīng)器中的返混測定目的： 1 通過實(shí)驗(yàn)了解停留時(shí)間分布測定的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法； 2 掌握停留時(shí)間分布的統(tǒng)計(jì)特征值的計(jì)算方法； 3 了解停留時(shí)間分布密度函數(shù)與多釜串聯(lián)流動模型的關(guān)系； 4 了解多釜串聯(lián)模型中模型參數(shù)N的物理意義；2021-10-20裝置、流程 實(shí)驗(yàn)裝置如附圖所示。由單釜和三釜串聯(lián)兩個(gè)系統(tǒng)組成，三釜串聯(lián)反應(yīng)器中每個(gè)釜的體積為1L。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流入兩個(gè)系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在兩個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)釜的進(jìn)口注入示蹤劑，借助安置在每個(gè)反應(yīng)釜出口處的電導(dǎo)測試系統(tǒng)可以檢測示蹤劑濃度變化情況，并由記錄儀連續(xù)記錄。2021-10-202021-

38、10-20原理 返混程度的大小，通常是利用物料停留時(shí)間分布的測定來研究返混程度。但是返混與停留時(shí)間分布兩者不存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此不能直接把測定的停留時(shí)間分布用于描述微團(tuán)間充分混和系統(tǒng)的返混程度，而要藉助于反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型間接表達(dá)。2021-10-20 停留時(shí)間分布密度函數(shù)停留時(shí)間分布密度函數(shù) E(t)正比于反應(yīng)正比于反應(yīng)器出口示蹤劑的濃度器出口示蹤劑的濃度.因此，實(shí)驗(yàn)中用水作為物料，使用飽和KCl溶液作為示蹤劑，在系統(tǒng)出口處安裝了一套電導(dǎo)檢測系統(tǒng)。由于在一定的KCl水溶液濃度范圍內(nèi)，其濃度正比于電導(dǎo)值。顯然，所測系統(tǒng)的物料停留時(shí)間密度函數(shù)正比于系統(tǒng)出口處KCl水溶液的電導(dǎo)值，即E(t)L(t)

39、,L(t)為t時(shí)刻水溶液的電導(dǎo)值。2021-10-20tNtNetNttNNtE/1)()!1(1) (2021-10-20流動模型與模型參數(shù) 測定了一個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間分布后，如何評價(jià)其返混程度，需要反應(yīng)器模型來描述。如多釜串聯(lián)模型： 該模型為單參數(shù)模型，模型參數(shù)為虛擬的串聯(lián)級數(shù)N。2021-10-20 由多級全混流反應(yīng)器的物料衡算可導(dǎo)出其停留時(shí)間分布密度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即22/ttN2/1N212021-10-20數(shù)據(jù)處理 用離散化方法求出對應(yīng)的 ,再求出相應(yīng)的模型參數(shù)，隨后討論N的數(shù)值范圍，就可確定這兩種反應(yīng)器的返混大小。20N=1， N , 活塞流 全混釜2021-10-20（三）測定特殊

40、參數(shù)的冷模試驗(yàn)（三）測定特殊參數(shù)的冷模試驗(yàn) 表征反應(yīng)器性能的一些特殊參數(shù)，往往是設(shè)計(jì)反應(yīng)器的重要數(shù)據(jù)，如固定床應(yīng)應(yīng)器內(nèi)催化劑堆密度和床層的孔隙率，流化床反應(yīng)器的流態(tài)化臨界速度和飛揚(yáng)速度，以及氣、液、固三相流化床的氣含率和固含率及其分布等等。這些特殊參數(shù)一般都是采用模型裝置，通過冷模試驗(yàn)測定的。2021-10-20 （四）類比試驗(yàn)（四）類比試驗(yàn)認(rèn)識電流大小時(shí)，用水流進(jìn)行類比。認(rèn)識電壓時(shí)，用水壓進(jìn)行類比。研究電流的形成原因時(shí)，將電流與水流相比較，從分析水流的形成來入手分析電流的形成。 質(zhì)量、熱量、動量傳輸?shù)念惐荣|(zhì)量、熱量、動量傳輸?shù)念惐荣|(zhì)量、熱量和動量三種傳遞過程之間存在許多類似之處質(zhì)量、熱量和動量三種傳遞過程之間存在許多類似之處，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）傳遞過程的機(jī)理類似。）傳遞過程的機(jī)理類似。（2）描述傳遞過程的數(shù)學(xué)模型（包括數(shù)學(xué)表達(dá)式及邊界）描述傳遞過程的數(shù)學(xué)模型（包括數(shù)學(xué)表達(dá)式及邊界條件）類似。條件）類似。（3）數(shù)學(xué)模型的求解方法類似。）數(shù)學(xué)模型的求解方法類似。（4）數(shù)學(xué)模型的求解結(jié)果類似。）數(shù)學(xué)模型的求解結(jié)果類似。2021-10-20 據(jù)三傳的類似性，對三種